淺析真空斷路器的控制電路結構及控制邏輯

李晶 王位 劉斌 雷欣 陳奎 符茂林

摘要：本文針對真空斷路器的單線供電、雙線供電的電路結構進行詳細介紹，通過對真空斷路器的內部邏輯及主斷環的控制邏輯進行對比分析，得出雙線供電電路結構可以提高真空斷路器的可靠性，為真空斷路器的進一步改善研究提供思路，為軌道交通行業中真空斷路器的選型提出建議方案。

Abstract： This paper gives a detailed introduction to the single-line power supply and two-wire power supply structure of vacuum circuit breaker. By comparing and analyzing the internal control logic of the vacuum circuit breaker and the control logic of the main break loop， it is concluded that the two-wire power supply circuit structure can improve the reliability of the vacuum circuit breaker. It provides ideas for further improvement of vacuum circuit breakers， and provides solutions for the selection of vacuum circuit breakers in the rail transit industry.

關鍵詞：真空斷路器;單線供電;雙線供電;電路;控制邏輯;可靠性

Key words： vacuum circuit breaker;single-line power supply;two-wire power supply;circuit;control logic;reliability

1 ?概述

作為軌道交通車輛的關鍵部件，真空斷路器被用于開斷、接通主電路，同時又起過載、短路和接地保護的作用，其穩定可靠的工作對軌道車輛的安全穩定運行具有重要意義。真空斷路器的電路結構可分為單線供電和雙線供電兩種，多數電力機車及動車組均采用單線供電方式的真空斷路器，只有少數動車組的真空斷路器采用雙線供電方式。本文主要是對真空斷路器兩種電路結構進行對比介紹，分析兩者的控制邏輯，得出單、雙線供電電路的優劣勢，為真空斷路器的選型提供思路。

2 ?主斷路器的動作原理

合閘：當給出主斷閉合信號，電磁閥和保持線圈得電，氣路打開，壓縮空氣由儲風缸通過電磁閥流入壓力氣缸，推動活塞向上運動，此時動觸頭隨著活塞的移動而運動，恢復彈簧壓縮，主觸頭閉合，觸頭壓力彈簧壓縮，活塞到達行程末端，由于保持線圈電磁吸力的作用，實現主斷路器合閘狀態的保持，電磁閥失電斷開氣路，完成真空斷路器的合閘動作。

分閘：當保持線圈失電，活塞在彈簧力作用下移動，主觸頭打開，將實現真空斷路器的分閘。

3 ?單線供電主斷路器的內部控制原理

3.1 控制原理分析

對于單線供電真空斷路器，控制系統中有一個ON/OFF開關，如圖1所示，主斷只需提供一個閉合/斷開指令，即提供一個DC110V控制回路即可實現分合閘操作，其控制原理圖如圖2所示，其中：①是印制電路板;②是計數器;③是電磁閥;④是主觸頭輔助聯鎖;⑤是壓力開關;⑥是外部電阻盒;⑦是保持線圈。

由圖2可知，對于單線供電斷路器，“1”接控制電源（負極）-Ubat，“2”接控制電源（正極）+Ubat，當接收到主斷閉合指令時，一路電流通過二極管、電阻盒給保持線圈供電;另一路電流給時間繼電器和電磁閥供電，若真空斷路器儲風缸氣壓足夠，壓力開關閉合，就會給晶體管觸發電流，晶體管c（集電極）和e（發射極）兩端就會導通，110V電壓還經過與MOS管柵極G并聯的反向穩壓管和電容，當電容充電，穩壓管反壓大于7V時，MOS管導通，電磁閥將會得電打開氣路，驅動主觸頭動作，時間繼電器開始計時，一段時間后時間繼電器的常閉觸點斷開，此時MOS管關斷，電磁閥失電斷開氣路，真空斷路器在保持線圈的作用下保持閉合狀態，直到ON/OFF開關斷開，保持線圈失電，斷路器斷開。

3.2 單線控制結構存在的弊端

①當主斷路器延時繼電器故障失效后，MOS管長時間得電，電磁閥將長時間工作，而該電路沒有其他保護措施斷開電磁閥回路，這樣將導致主斷路器出現故障（如MOS管燒損、電磁閥線圈燒損、主斷漏風等故障）影響電力機車的安全穩定運行。

典型案例：2010年夏季，裝于HXD1C型大功率貨運機車上的BVAC.N99D型真空斷路器高溫運行時出現無法合閘故障，經過分析得出故障原因為延時繼電器在高溫運行時失效，使得電磁閥長時間通電，溫升超限發生燒毀，從而使得電磁閥得電無法打開氣路，導致真空斷路器無法合閘[1]。

②該電路結構中的主斷電磁閥和主斷保持線圈同時啟動，易導致主斷110V電源電壓的不穩定，產生電壓波動，易發生主斷不合閘故障，影響了電力機車的正常穩定運行。

③對于單線供電電路結構，時間繼電器在ON/OFF開關閉合后就會得電開始計時，這樣就存在著由于延時繼電器故障造成合閘時間過短，真空斷路器主觸頭還沒有閉合的時候，時間繼電器就斷開MOS管的觸發回路，電磁閥失電打開氣路，導致真空斷路器無法閉合的風險，影響電力機車的安全穩定運行。

典型案例：1）HXD3 0138機車因BVAC.N99型主斷路器閉合后，延時繼電器未在575～650ms內給邏輯控制單元電信號，致使邏輯控制單元無法在預定的時間內斷開啟動電磁閥的電源，牽引控制單元TCU接收不到主斷路器的反饋信號而導致被封鎖[2]。2）HXD1B 0142機車主斷路器控制電源板延時繼電器發生故障，造成合閘延時過短，真空斷路器合閘不到位導致主斷狀態輔助聯鎖接觸不良，TCU接收不到反饋信號而實施封鎖[3]。

4 ?雙線供電主斷路器的內部控制原理

4.1 控制原理分析

圖3為雙線供電斷路器結構圖，由圖可知，相比對單線供電電路增加了一個自復位開關，其合閘供電時間為2s。其控制原理圖如圖4所示，其中①是印制電路板;②是計數器;③是電磁閥;④是主觸頭輔助聯鎖;⑤是壓力開關;⑥是外部電阻盒;⑦是保持線圈。

由圖4可知，對于雙線控制電路，MOS管回路與主斷保持回路分開給電，一路電流通過二極管、電阻盒給保持線圈供電;通過輔助聯鎖為時間繼電器供電，保證了只有在主斷閉合之后，時間繼電器才會失電斷開電磁閥回路;輔助聯鎖與壓力開關并聯連接到NPN型晶體管，為晶體管提供觸發信號。另一路電流通過MOS管給電磁閥供電。

當接收到主斷閉合指令時，ON/OFF開關（300）閉合及自復位開關（200）閉合時，保持線圈處于得電狀態，若真空斷路器儲風缸氣壓足夠，壓力開關閉合，就會給晶體管觸發電流，晶體管c（集電極）和e（發射極）兩端就會導通，進而MOS管導通，電磁閥線圈將會得電，驅動主觸頭動作，真空斷路器閉合，此時時間繼電器開始計時，600ms后時間繼電器斷開MOS管的觸發電路，電磁閥失電打開真空斷路器的氣路，真空斷路器在保持線圈電磁吸力的作用下保持閉合狀態，直到ON/OFF開關斷開，保持線圈失電，真空斷路器斷開。自復位開關（200）的作用是使MOS管將最多只能得電2s，這就大大降低由于延時繼電器故障導致MOS管、電磁閥線圈燒損的故障率。

4.2 雙線供電電路結構具有的優勢

①雙線供電的真空斷路器采用對電磁閥和保持線圈分別供電的電路結構，可有效避免由于主斷電磁閥和主斷保持線圈同時啟動而造成110V電源電壓的不穩定、主斷不合閘故障，提高真空斷路器的可靠工作。

②雙線供電方式在斷路器外部也加入了延時開關，由網絡模塊控制，相對于時間繼電器是一種冗余控制，可有效的避免主斷內部延時繼電器失效后，電磁閥將一直處于得電狀態，造成MOS管、電磁閥燒毀的故障。提高真空斷路器的可靠性，保證機車的穩定運行。

③在雙線供電電路結構中，電流通過輔助聯鎖為時間繼電器供電，保證了只有在主斷閉合之后，時間繼電器才會失電斷開電磁閥回路，避免了真空斷路器主觸頭沒有閉合時，時間繼電器就斷開MOS管的觸發回路，電磁閥失電的風險。

5 ?結束語

本文針對真空斷路器單、雙線供電電路進行了對比介紹，詳細分析真空斷路器的內部邏輯及主斷環的控制邏輯，得出：相比于單線供電式真空斷路器，雙線供電式真空斷路器可有效避免由于主斷電磁閥和主斷保持線圈同時啟動而造成110V電源電壓的不穩定、主斷不合閘故障，提高真空斷路器的可靠工作;可有效的避免主斷內部延時繼電器失效后，電磁閥將一直處于得電狀態，造成MOS管、電磁閥燒毀的故障。彌補了真空斷路器單線供電電路結構的缺點與不足，提高真空斷路器的可靠性，為真空斷路器的進一步改善研究提供思路，為軌道交通行業真空斷路器的選型提供借鑒。

參考文獻：

[1]王泰杰，李濤，廖鄉萍.真空斷路器高溫運行故障原因分析及解決方案[J].電力機車與城軌車輛，2012，35（01）：59-61.

[2]劉磊.HX_D3型機車BVAC.N99型主斷路器故障分析及對策[J]. 電力機車與城軌車輛，2016，39（05）：85-86，89.

[3]徐瑞剛.HX_D1B型機車真空主斷路器的控制原理及故障分析[J].電力機車與城軌車輛，2013，36（02）：63-64.

[4]劉永祥.高壓真空斷路器預防性試驗及故障處置[J].內燃機與配件，2018（06）：139-140.

作者簡介：李晶，助理工程師，2018年畢業于沈陽工業大學電氣工程專業（碩士），現于中車株洲電力機車有限公司從事電力機車設計和開發工作。